Образование стружки: диаграммы, типы и влияющие факторы

Что такое стружка?

Стружка — это побочный продукт механической обработки материалов с помощью фрез, токарных станков и пил. Интенсивные исследования в этой области начались во время Второй мировой войны с появлением более быстрых и мощных режущих инструментов, особенно резец из быстрорежущей стали для обработки металлов. Фундаментальный вклад внесли Франц (1958) и Кивима (1952).

Как образуется стружка?

При взаимодействии режущего инструмента с заготовкой его острие деформирует материал, вызывая сдвиг и разделение слоев, что приводит к образованию стружки.

Основные типы стружки

Тип стружки зависит от материала заготовки, скорости резания, подачи и геометрии инструмента. Выделяют три основных типа:

Непрерывная стружка

Образуется в виде ленточной спирали постоянной толщины. Характерна для вязких материалов (низкоуглеродистая сталь, медь, латунь, алюминиевые сплавы) при высоких скоростях резания и остром режущем крае. Обеспечивает гладкую обработку, высокое качество поверхности, увеличивает срок службы инструмента и снижает потребление энергии. Недостаток — стружка путается, поэтому используют ломчики стружки.

Прерывистая стружка

Типична для ломких материалов (чугун, бронза, высокоуглеродистая сталь) при умеренных скоростях. Состоит из слабо связанных фрагментов. Материал теряет пластичность и лопается периодически. При обработке вязких материалов ухудшает качество поверхности и снижает долговечность инструмента. Преимущество — легко удаляется и утилизируется.

Непрерывная стружка с накатным краем

Возникает при высоком трении в зоне контакта инструмент-стружка: частицы материала привариваются к передней поверхности реза к острию, образуя временный накатный край. Это ухудшает чистоту поверхности, но может уменьшать износ режущего края за счет дополнительного покрытия.

Сегментированная (зубчатая) стружка

Имеет пилообразный вид из-за чередования зон высокого и низкого сдвига. Образуется при высокоскоростной обработке твердых материалов: титановых сплавов, никелевых суперсплавов, аустенитных нержавеек. Является полунепрерывной.

Классификация стружки по Францу

В середине XX века Норман Франц выделил три типа стружки:

Тип I

Материал ломается перед режущим краем под действием клиновидного напора инструмента, превышающего поперечную предел прочности на разрыв. Типична для волокнистых материалов (дерево). Образуется при малых углах заточки. Оптимальна для стружки от рубанка.

Тип II

Материал сдвигается по наклонной плоскости от вершины режущего края к поверхности, образуя закрученную вверх стружку. Характерна для промежуточных углов заточки и пластичных материалов (металлы). Может давать непрерывную стружку.

Тип III

Происходит при углах заточки около 90°. В слабых или непластичных материалах дает пыль; в остальных случаях — эффект «снегоуборочной» завалы перед инструментом. Типична для фрезеров и скраперов.

Факторы, влияющие на образование стружки

• Свойства материала: вязкие — непрерывная стружка, ломкие — прерывистая.
• Скорость резания и подача: высокие способствуют непрерывной стружке, низкие — прерывистой.
• Геометрия инструмента: угол и острота режущего края существенно влияют на тип стружки.
• Смазка и охлаждение: снижают трение и температуру, меняя характер стружки.
• Температура и твердость заготовки: также определяют тип стружки.
• Материал и покрытия инструмента: влияют на трение и износ, изменяя формирование стружки.